加速电容的作用及在IGBT驱动电路中的应用

一.普通晶体管(Thyristor)也称可控硅(SCR)，是靠门极电流触发的半可控器件，具有正反向阻断能力，而门极触发电流是通过在门极G和阴极K之间施加触发电压产生的。其等效工作原理如图一所示。

图一 可控硅等效工作原理

从虚线框内的等效电路可以看出，T1、T2彼此基极与集电极互连，门极注入触发电流Ig后，形成强烈的正反馈，两个等效三极管T1、T2进入完全饱和状态，即SCR导通状态，可见，晶闸管一旦被触发导通，门极就失去了控制作用，即触发脉冲可暂时撤除了。这与全控型器件不同，导通与关断期间并不需要持续的驱动信号。但高压大电流SCR需要的短暂触发电流比较大，为可靠触发SCR开通且缩短开通时间，触发脉冲必须前沿陡峭且具有足够的幅值，图二的逆变触发电路中，采用强触发方式，可以较好地解决大功率SCR的触发控制问题，触发波形如图二左侧所示。

图二 SCR触发电路及强脉冲波形

图二中的C5、C6为加速电容，通过脉冲变压器(PTR)及整形二极管产生脉冲的前沿尖峰，形成SCR强触发脉冲，进而产生SCR所需的强触发门极电流。可以从不同角度来理解加速电容的作用。PTR初级具有感性，会阻碍电流增大，不利其快速储能，电容是其对偶元件，电流可以突变，可补偿电感阻碍电流的作用，加速了PTR的能量转换和传输，有利于输出尖峰脉冲；也可把T5输出的信号看成非正弦周期方波，PTR初级同名端也看成输出方波，按傅里叶级数，其恒定分量加在电阻上，而对于其他各次正弦谐波分量，因电容阻抗较小，电流可以顺利通过，C5旁路了电阻的阻碍作用，进而产生加速效果。为全面了解强脉冲产生过程，简单介绍一下触发电路组成。Us为跟踪触发正弦信号，由主电路电压信号和补偿电容(谐振电容)电流信号合成，在a、b两输入端分成两半，分别加于左右电路，在Us由正向负过渡时出脉冲，相位差为180度。以左侧为例，T3为射极跟随器，同相放大电流；C3、R11构成微分电路，实质为高通滤波器，产生的尖脉冲用于控制达林顿管T5，尖脉冲宽度决定了最终输出的强脉冲宽度。

二. 为加深对加速电容的理解，再举例说明其在IGBT驱动电路中的应用。IGBT为靠栅极电压触发的全控型器件，导通或关断期间驱动信号需要持续施加，这与SCR的一触即发不同，它的驱动电路需求是既能快速开通，也要能以适当的速度关断。IGBT隔离驱动PTR与SCR触发用PTR 的特性是不同的，IGBT的PTR要能比较完整地传输、放大PWM信号。以图三为例，说明加速电容作用及相关内容。

图三 IGBT驱动电路

这里的加速电容C1不仅具有加速驱动脉冲形成，缩短IGBT的开通与关断时间，降低开关损耗的作用，还有保持驱动脉冲完整性的作用。图三的T1~T4构成桥式脉冲放大电路，跟随PWM_A、PWM_B信号变化，输出相位相反的脉冲，A高电平B低电平时，T2、T4导通；B高电平A低电平时，T1、T3导通。如果没有电容C1，PTR输入脉冲中的高频电流分量将会受到PTR初级线圈电感量的抑制而难以通过，加上C1后，补偿了电感的作用，驱动脉冲中的直流分量通过电阻R5施加，而高频交流分量主要通过C1施加，PTR就能完整地传输已放大的PWM信号。改变C1容值，还有调节死区电压的辅助作用。驱动电路是为IGBT服务的，IGBT的特性需要知道，否则对驱动电路的组成是难以理解的。IGBT的等效电路如图四所示。

图四 IGBT等效电路

由虚线框内的IGBT等效电路可知，它是一种复合器件，输入控制部分为NMOS，输出级为BJT，内部晶体管T1和T2相当于是一个寄生晶闸管，过大的集电极电流会引起正反馈擎住效应；由于结电容的存在，过快地关断IGBT，du/dt会过大，也会动态地引起擎住效应。无论什么原因引起的擎住效应，都会使栅极G失去控制作用，造成主电路短路而烧坏IGBT。基于这些认知，与MOS管一样，栅射电压Uge是不能超过±20V的，一般使用15V电压;DZ1~DZ4就是用来限制栅极电压的，防止过高电压击穿内部MOS管栅极绝缘层；C11~C14具有在IGBT关断时，避免Uge和Uce变化过快的作用，R11~R14也有减慢IGBT关断的作用，这些措施都是防止出现擎住效应。主电路中与IGBT并接的RC缓冲器，也有抑制du/dt过大的作用。

审核编辑：郭婷